數(shù)字圖像處理 分享課件

1、1數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理楊娜楊娜聯(lián)系方式mail:2教材教材及學習資料及學習資料：教材：教材：l岡薩雷斯著岡薩雷斯著，阮秋琦，阮秋琦等譯等譯數(shù)字數(shù)字圖像處理（圖像處理（中文第三版中文第三版），），電子工業(yè)電子工業(yè)出版社出版社，2 2013013參考書：參考書：l(1) (1) 何東健等何東健等. . 數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理. . 西安西安: : 西安電子科技大學西安電子科技大學, 2003, 2003l(2) (2) 朱虹等朱虹等. . 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理基礎(chǔ). . 北京北京: : 科學出版社，科學出版社，20052005l(3) (3) 章毓晉，圖像處

2、理（圖像工程上冊），清華大學出版社，章毓晉，圖像處理（圖像工程上冊），清華大學出版社，20062006數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理3 l(4)(4) 阮秋琦阮秋琦. . 數(shù)字圖像處理學數(shù)字圖像處理學. . 北京北京: :電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社, 2001, 2001l(5)(5) 余成波編著余成波編著. . 數(shù)字圖像處理及其數(shù)字圖像處理及其MATLABMATLAB實現(xiàn)實現(xiàn). . 重慶重慶: :重慶大學出版重慶大學出版社社,2003,2003l(6)(6) 孫兆林編著孫兆林編著. MATLAB6.X. MATLAB6.X圖像處理圖像處理. . 北京北京: :清華大學出版社清華大學出版社,200

3、2,2002l(7) (7) 阮秋琦阮秋琦譯譯. .數(shù)字圖像處理的數(shù)字圖像處理的MATLABMATLAB實現(xiàn)（第實現(xiàn)（第2 2版）版）. .北京北京: :清華大學清華大學出版社出版社,20,201313l(8) (8) 艾海舟、蘇延超等譯艾海舟、蘇延超等譯. .圖像處理、分析與機器視覺（第圖像處理、分析與機器視覺（第3 3版）版）. .北京北京: :清華大學出版社清華大學出版社,20,201313數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理教材教材及學習資料及學習資料：45課程的意義l數(shù)字圖像處理是模式識別、計算機視覺、圖像數(shù)字圖像處理是模式識別、計算機視覺、圖像通訊、多媒體技術(shù)等學科的基礎(chǔ)，是一門涉及通訊、多媒

4、體技術(shù)等學科的基礎(chǔ)，是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學科。多領(lǐng)域的交叉學科。數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理6l第一部分介紹數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，圖像處理系統(tǒng)的基本組成和作用，圖像和視覺基礎(chǔ)，基本圖像變換。l第二部分介紹基本的處理技術(shù)，圖像增強，圖像編碼，圖像恢復和重建。l第三部分介紹圖像識別的初步知識，圖像分割，機器視覺，運動目標跟蹤等技術(shù)。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理7l1、了解數(shù)字圖像處理的發(fā)展、應用以及當前國際國內(nèi)研究的熱點和重要成果；l2、理解數(shù)字圖像處理中圖像的分析與理解的內(nèi)容；l3、掌握數(shù)字圖像處理中最基本、最廣泛應用的概念、原理、理論和算法以及基本技術(shù)和方法；l4、能夠運

5、用一門高級語言編寫基本的圖像處理算法，實現(xiàn)圖像處理在相關(guān)領(lǐng)域中的應用。教學基本要求：數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理8l1.1 1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念l1.2 1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容l1.3 1.3 圖像技術(shù)和圖像工程圖像技術(shù)和圖像工程l1.4 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l1.5 1.5 數(shù)字圖像處理的應用數(shù)字圖像處理的應用l1.6 1.6 圖像處理科學的意義圖像處理科學的意義l1.7 1.7 未來發(fā)展動向未來發(fā)展動向第一章第一章 緒論緒論講授內(nèi)容：講授內(nèi)容：9l圖像： 使用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作

6、用于人眼并進而產(chǎn)生視覺的實體。 包括：各類圖片，如普通照片、X光片、遙感圖片； 各類光學圖像，如電影、電視畫面； 客觀世界在人們心目中的有形想象以及外部描 述，如繪畫、繪圖等。第一章第一章 緒論緒論1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念10l數(shù)字圖像： 數(shù)字圖像是空間坐標和幅度均用離散的數(shù)字（一般是整數(shù)）表示的圖像。第一章第一章 緒論緒論1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念1112第一章第一章 緒論緒論l數(shù)字圖像是由有限的元素組成的，每一個元素都有一個特定的位置和幅值。這些元素稱為圖像元素或像素。1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念13l左邊的圖象是圖像處理技

7、術(shù)中常用來檢驗計算機算法的實際效果的標準圖像。這幅圖像的名稱是lenna。它是由一組數(shù)字組成的。原圖像的寬和高都是256個像素。1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念第一章第一章 緒論緒論14一個完整的圖像處理程序的基本功能有:打開圖像文件、顯示圖像、對圖像文件進行指定的處理、存儲圖像文件。由于圖像文件比較大，通常需要在儲存前進行壓縮。所以打開和存儲圖像文件涉及到文件的格式。l圖像文件的格式圖像文件指包含圖像數(shù)據(jù)的文件。文件內(nèi)除圖像數(shù)據(jù)本身以外，一般還有圖像的描述信息，以便圖像的讀取和顯示。1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念第一章第一章 緒論緒論15l常見的圖像文件類型

8、有bmp、pgm、jpg、GIF、TIFF等等。圖像處理的程序必須考慮圖像文件的格式，否則無法正確地打開和保存圖像文件。1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念第一章第一章 緒論緒論16 圖象處理和分析系統(tǒng)圖像處理和分析系統(tǒng)包括如下模塊：圖像采集模塊、圖像顯示模塊、圖像處理和分析模塊、圖像存儲模塊、圖像通訊模塊。l圖象采集模塊CCDl圖象顯示模塊CRT，LCDl圖象存儲模塊內(nèi)存、幀緩存、硬盤l圖象通訊模塊 LAN、WANl圖象處理和分析模塊第一章第一章 緒論緒論1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念17數(shù)字圖像的特點 ：（1）空間有界:人的視野有限，一幅圖像的大小也有限。（2

9、）幅度（強度）有限：即對于所有的x，y都有： 其中Bm為有限值。第一章第一章 緒論緒論1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念18l數(shù)字圖像處理：是指應用計算機來合成、變換已有的數(shù)字圖像，從而產(chǎn)生一種新的效果，并把加工處理后的圖像重新輸出，這個過程稱為數(shù)字圖像處理，也稱之為計算機圖像處理。 1.1 圖像與圖像處理的概念圖像與圖像處理的概念第一章第一章 緒論緒論19l包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像編碼、圖像增強、圖像恢復、圖像分割、圖像分析與描述、圖像的理解和識別。1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論20l圖像數(shù)字化：將非數(shù)字形式的圖像信號通過數(shù) 字化設(shè)備轉(zhuǎn)

10、換成數(shù)字圖像，包 括采樣和量化。 第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容21l圖像變換：對圖像信息進行變換以便于在頻域?qū)D像進行更有效的處理，包括：u 傅立葉變換u Walsh變換u 離散余弦變換u 小波變換 第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容22l圖像增強：是數(shù)字圖像處理最簡單和最有吸引力的領(lǐng)域?；舅悸肥秋@現(xiàn)那些被模糊了的細節(jié)，或簡單地突出一幅圖像中感興趣的特征。也就是增強圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲，提高圖像的清晰度，突出圖像中感興趣的部分。第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容應記?。涸鰪娛菆D像

11、處理中非常主觀的領(lǐng)域。23l主要技術(shù)：l直方圖修正l圖像平滑l圖像銳化l同態(tài)系統(tǒng)l偽彩色技術(shù)第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容24圖像增強實例圖像增強實例第一章第一章 緒論緒論25l圖像壓縮編碼：對待處理圖像進行壓縮編碼以減少描 述圖像的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間、減少存儲空間。1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論26l主要方法：l熵編碼l預測法編碼l變換編碼l分形編碼l第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容27圖像恢復：是尋找圖像降質(zhì)的起因，盡可能恢復圖 像本來面目。主要技術(shù)：復原的代數(shù)方法逆濾

12、波最小二乘法濾波約束去卷積空間復原技術(shù)1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論28 運動模糊圖像 恢復圖像圖像恢復實例圖像恢復實例第一章第一章 緒論緒論29l圖像分割：根據(jù)選定的特征將圖像劃分成若干個有意義的部分，這些選定的特征包括圖像的邊緣、區(qū)域等。 l目的：提取出感興趣的對象，為進一步的圖像理解和識別做準備。l主要方法：l基于灰度閾值分割l基于紋理的分割l區(qū)域生長法第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容30圖像分析與描述： 主要是對已經(jīng)分割的或正在分割的圖 像各部分的屬性及各部分之間的關(guān)系 進行分析表述。 圖像識別分類：根據(jù)從圖像中提取

13、的各目標物的特征， 與目標物固有的特征進行匹配、識別， 以識別出目標物。 第一章第一章 緒論緒論1.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容31% 打開蝴蝶圖象,進行Fourier變換h=imread(butterfly.jpg);% open an imagefigure;imshow(h);h=double(h); m,n,p=size(h);% 因為圖像的格式uint8不能做加減法, % 所以需要把格式uint8變成格式doublehf=fftshift(fft2(h); % 2D Fourier變換, 得到2D復數(shù)值圖像hfa=log(abs(hf);% 模的圖像,用log來調(diào)整灰度的

14、對比度% 求出模的灰度最大值，從而把其灰度的值域變?yōu)?，255m=max(max(max(hfa); hfa=hfa*255/m;figure; imshow(uint8(hfa);Imwrite(uint8(hfa),butterfly_fft.jpg,jpg);下面是一個Matlab程序：321.2 數(shù)字圖像處理的內(nèi)容數(shù)字圖像處理的內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論33l數(shù)字圖象處理的簡史數(shù)字圖象的產(chǎn)生遠在計算機出現(xiàn)之前。最早有電報傳輸?shù)臄?shù)字圖象。六、七十年代，隨著計算機硬件的發(fā)展和快速傅立葉變換算法的發(fā)現(xiàn)使得用計算機能夠處理圖象。八十年代開始處理三維圖象，九十年代以來，隨著計算機性能的大幅提高和

15、廣泛使用，圖象處理技術(shù)已經(jīng)涉及社會的各個角落。圖象逐漸在傳播媒體中占據(jù)了主導地位，產(chǎn)生的許多的新行業(yè)新商機。未來圖象處理的發(fā)展是不可限量的。數(shù)字圖象處理屬于計算機科學，但是它的90%依賴于數(shù)學。從這個特點來看，對于本專業(yè)的學生來說，數(shù)字圖象處理技術(shù)是一個十分理想的發(fā)展方向。1.3 圖像技術(shù)和圖像工程第一章第一章 緒論緒論34 上世紀上世紀20年代，紐約倫敦海底電纜傳輸數(shù)字化的新年代，紐約倫敦海底電纜傳輸數(shù)字化的新聞圖片。傳遞時間從一個多星期減少到聞圖片。傳遞時間從一個多星期減少到3個小時。個小時。l1921年電報打印機采用年電報打印機采用特殊字符在編碼紙帶打印。特殊字符在編碼紙帶打印。輸出設(shè)備

16、從通用在到專用輸出設(shè)備從通用在到專用l1922年兩次穿越年兩次穿越大西洋，穿孔紙大西洋，穿孔紙得到圖像檢測誤得到圖像檢測誤差。圖像通信系差。圖像通信系統(tǒng)信源編碼和信統(tǒng)信源編碼和信道編碼道編碼1929年從倫敦到紐約年從倫敦到紐約15級色調(diào)級色調(diào)通過電纜傳遞照片。從早期通過電纜傳遞照片。從早期5個個灰度到灰度到15灰度?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡、灰度。現(xiàn)在的網(wǎng)絡、移動通信再次歷經(jīng)這個過程。移動通信再次歷經(jīng)這個過程。第一章第一章 緒論緒論35 數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計算機的發(fā)展密切相關(guān)，它必須依靠數(shù)字計算機及數(shù)據(jù)存儲、顯示和傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展。l五十年代中期在太空計劃的五十年代中期在太空計劃的推動下開始這項技

17、術(shù)的研究。推動下開始這項技術(shù)的研究。重要標志是重要標志是1964年美國噴年美國噴氣推進實驗室（氣推進實驗室（JPL）正式）正式使用數(shù)字計算機對使用數(shù)字計算機對“徘徊者徘徊者7號號”太空船送回的四千多太空船送回的四千多張月球照片進行了處理。張月球照片進行了處理。第一章第一章 緒論緒論36l進行太空應用的同時，數(shù)字圖像處理技術(shù)在進行太空應用的同時，數(shù)字圖像處理技術(shù)在20世紀世紀60年代末和年代末和70年代初開始用于醫(yī)學圖年代初開始用于醫(yī)學圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學等領(lǐng)域。像、地球遙感監(jiān)測和天文學等領(lǐng)域。l1895年倫琴發(fā)現(xiàn)年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，獲射線，獲1901年諾貝爾物年諾貝爾物理學獎。理學獎。l1

18、975年年Godfrey N. Hounsfield和和Allan M. Cormack發(fā)明了計算機斷層技術(shù)（發(fā)明了計算機斷層技術(shù)（CT），獲），獲1979年諾貝爾醫(yī)學獎。年諾貝爾醫(yī)學獎。l在今天引領(lǐng)這圖像處理某些最活躍的應用領(lǐng)域。在今天引領(lǐng)這圖像處理某些最活躍的應用領(lǐng)域。第一章第一章 緒論緒論1.3 圖像技術(shù)和圖像工程37 圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱，目前主要指數(shù)字（計算機）圖像技術(shù)，包括圖像處理、圖像分析和圖像理解三個層次。把這三個層次綜合集成在一個整體框架上進行，這個框架就是圖像工程。 1.3 圖像技術(shù)和圖像工程第一章第一章 緒論緒論381.圖像處理著重強調(diào)在圖像之間進

19、行的變換 廣義泛指各種圖像技術(shù)； 狹義對圖像進行各種加工（處理），達到 改善人的視覺效果 為自動識別打基礎(chǔ) 壓縮編碼 1.3 圖像技術(shù)和圖像工程第一章第一章 緒論緒論392.圖像分析圖像到數(shù)據(jù) 對圖像中感興趣的目標物進行檢測和測量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對圖像的描述.3.圖像理解 重點是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進一步研究圖像中各重點是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進一步研究圖像中各目標物的性質(zhì)和它們間的相互關(guān)系，并得出對圖像內(nèi)目標物的性質(zhì)和它們間的相互關(guān)系，并得出對圖像內(nèi)容含義的理解以及原來客觀場景的理解，從而指導和容含義的理解以及原來客觀場景的理解，從而指導和規(guī)劃行動（比如機器人視覺、機器人足球賽

20、等）。規(guī)劃行動（比如機器人視覺、機器人足球賽等）。 第一章第一章 緒論緒論1.3 圖像技術(shù)和圖像工程40 圖像工程三層次示意圖圖 像 理 解符 號目 標像 素高 層中 層低 層高低抽象程度數(shù)據(jù)量操作對象小大語義圖 像 分 析圖 像 處 理第一章第一章 緒論緒論411.4 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l 一個基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像輸入、圖像存儲、一個基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像輸入、圖像存儲、圖像通信、圖像處理和分析五個模塊組成。圖像通信、圖像處理和分析五個模塊組成。l如下圖所示：如下圖所示：第一章第一章 緒論緒論圖像輸入處理和分析圖像輸出圖像存儲圖像通信421.4 1.4 數(shù)

21、字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l圖像輸入模塊:也稱圖像采集或圖像數(shù)字化 為采集數(shù)字圖像，需要兩種裝置（器件）： 一種是對某個電磁能量譜波段（如X射線、紫外線、可見光、紅外線等）敏感的物理器件； 另一種稱為數(shù)字化器，它能將上述（模擬）電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字（離散）的形式。 如：x射線透視成像儀、CCD攝像頭、數(shù)碼相機等。第一章第一章 緒論緒論431.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l圖像輸出模塊： 對圖像處理來說，處理的結(jié)果主要用于顯示給人看。對圖像分析來說，分析的結(jié)果也可以借助計算機圖形學技術(shù)轉(zhuǎn)換為圖像形式直觀地展示。 如CRT顯示器、液晶顯示器和投影儀等。第一章第一章 緒論緒論441.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l圖

22、像存儲模塊： 圖像包含有大量的信息，因而存儲圖像也需要大圖像包含有大量的信息，因而存儲圖像也需要大量的空間。在圖像處理和分析系統(tǒng)中，大容量和快速量的空間。在圖像處理和分析系統(tǒng)中，大容量和快速的圖像存儲器是必不可少的。用于圖像處理和分析的的圖像存儲器是必不可少的。用于圖像處理和分析的數(shù)字存儲器可分為數(shù)字存儲器可分為三三類：類： （1）處理和分析過程中使用的快速存儲器； （2）用于比較快地重新調(diào)用的在線或聯(lián)機存儲器; （3）不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫（檔案庫）存儲器。 如計算機內(nèi)存、硬盤、軟盤、閃存盤、CD光盤、DVD光盤等。 第一章第一章 緒論緒論451.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l圖像通信模塊圖像通信模塊

23、對圖像數(shù)據(jù)進行傳輸和通信。由于圖像數(shù)據(jù)量很對圖像數(shù)據(jù)進行傳輸和通信。由于圖像數(shù)據(jù)量很大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前必須對表示圖像信息的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以減少圖必須對表示圖像信息的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以減少圖像數(shù)據(jù)量。像數(shù)據(jù)量。第一章第一章 緒論緒論461.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l圖像處理與分析模塊圖像處理與分析模塊 為了各種目的，而對圖像進行的一系列處理，是圖像處理系統(tǒng)的核心模塊，也是我們學習的主要內(nèi)容。 包括處理算法、實現(xiàn)軟件和計算機，一般包括下面三種形式：第一章第一章 緒論緒論471.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)l圖像處理與分析模塊l通用

24、圖像處理：適用于功能要求靈活，圖像數(shù)據(jù)量大，適用于功能要求靈活，圖像數(shù)據(jù)量大，但實時性要求不高的圖像處理與分析算法，也可輔之但實時性要求不高的圖像處理與分析算法，也可輔之方便靈活的操作界面。方便靈活的操作界面。 l專用圖像處理系統(tǒng)：對于象對于象CTCT、核磁共振、彩色、核磁共振、彩色B B超、超、機場安檢等專用影像處理，可采用能滿足實際應用的機場安檢等專用影像處理，可采用能滿足實際應用的專用計算機和專用圖像處理算法等，來構(gòu)成專用圖像專用計算機和專用圖像處理算法等，來構(gòu)成專用圖像處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)。l圖像處理芯片：將許多圖像處理功能集成在一個很小將許多圖像處理功能集成在一個很小的芯片上，形成專用

25、或通用的圖像處理芯片。的芯片上，形成專用或通用的圖像處理芯片。 第一章第一章 緒論緒論481.5 數(shù)字圖像處理的應用l航天航空l生物醫(yī)學工程l通訊領(lǐng)域l工業(yè)l軍事公安l文化藝術(shù)第一章第一章 緒論緒論491.5 數(shù)字圖像處理的應用l應用1：航空航天l登月、火星照片處理l飛機遙感、衛(wèi)星遙感l(wèi)氣象預報第一章第一章 緒論緒論50l應用2：生物醫(yī)學工程lCT、MRI（核磁共振）、B超l顯微圖像：紅細胞、白細胞、染色體的分析lX光、心電圖第一章第一章 緒論緒論1.5 數(shù)字圖像處理的應用51l應用3：工業(yè)l印刷電路板質(zhì)量和缺陷的檢測l無損探傷、石油氣勘測l將CAD和CAM技術(shù)應用于磨具和零件優(yōu)化設(shè)計和制造l機器人視覺l零件檢測l郵政信件的自動分揀第一章第一章 緒論緒論1.5 數(shù)字圖像處理的應用52l應用4：軍事公安l導彈制導l偵察照片的處理l指紋識別、人臉識別l車牌自動識別第一章第一章 緒論緒論1.5 數(shù)字圖像處理的應用53l應用5:天氣預報 天氣云圖測繪、傳輸，氣象衛(wèi)星云圖的處理和識別等。l應用6:考古 珍貴文物圖片、名畫、壁畫的輔助恢復。第一章第一章 緒論緒論1.5 數(shù)字圖像處理的應用54l（1）圖像是人們從客觀世界獲取信息的重要來源 人類是通過感覺器官從客觀世界獲取信息的，即通過耳、目、口、鼻、手通